JPWO2018131711A1 - Method for producing saccharide-containing cellulose hydrolyzate - Google Patents

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Abstract

本発明は、セルロースを酸水溶液に溶解させる工程(1)、セルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する工程(2)、固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる工程(3)、及びセルロースを吸着させた固体触媒を水の存在下で加熱してセルロースを加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得る工程(4)、を含む糖類含有セルロース加水分解物の製造方法に関する。本発明は、固体触媒を用い、セルロースを加水分解してグルコースを合成する新たな方法を提供する。The present invention includes a step (1) of dissolving cellulose in an acid aqueous solution, a step (2) of mixing a cellulose hydrolyzed solid catalyst in an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved, and a step of adsorbing at least a part of cellulose on the solid catalyst ( 3) and a step (4) of heating a solid catalyst adsorbing cellulose in the presence of water to hydrolyze cellulose to obtain a hydrolyzate containing saccharides. It relates to a manufacturing method. The present invention provides a new method for synthesizing glucose by hydrolyzing cellulose using a solid catalyst.

Description

本発明は、糖類含有セルロース加水分解物の製造方法に関する。より具体的には、グルコース含有セルロース加水分解物やソルビトール含有セルロース加水分解物の製造方法に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、2017年1月16日出願の日本特願2017−004847号の優先権を主張し、その全記載は、ここに特に開示として援用される。
The present invention relates to a method for producing a saccharide-containing cellulose hydrolyzate. More specifically, the present invention relates to a method for producing a glucose-containing cellulose hydrolyzate or a sorbitol-containing cellulose hydrolysate.
This application claims the priority of Japanese Patent Application No. 2017-004847 filed on Jan. 16, 2017, the entire description of which is specifically incorporated herein by reference.

セルロースまたはヘミセルロースを、固体触媒を用いて加水分解して糖含有液を製造する方法が知られている(特許文献1及び2)。セルロースやバイオマスの分解のためには、前処理としてセルロースの非晶質化のためにボールミル法(非特許文献1)が用いられる。しかし、この前処理に大きなエネルギーが必要であり、これが実用化の障害となっていた。また、セルロースを溶解し非晶質化させるため安価なリン酸を用いる方法が知られている(非特許文献2)。しかし、セルロース溶解液は高い粘度を持つため操作性が悪く、さらにセルロースをリン酸中から取り出すためには大量の水を添加してセルロースを析出させなければならないため、希リン酸の再濃縮に多大なエネルギーを要するという問題がある。   A method for producing a sugar-containing liquid by hydrolyzing cellulose or hemicellulose using a solid catalyst is known (Patent Documents 1 and 2). For decomposing cellulose and biomass, a ball mill method (Non-patent Document 1) is used for amorphization of cellulose as a pretreatment. However, this pretreatment requires a large amount of energy, which has been an obstacle to practical use. In addition, a method using inexpensive phosphoric acid for dissolving cellulose to make it amorphous is known (Non-patent Document 2). However, the cellulose solution has a high viscosity, so the operability is poor, and in order to take out the cellulose from phosphoric acid, a large amount of water must be added to precipitate the cellulose. There is a problem of requiring a lot of energy.

最近、我々はボールミル法を用いてセルロースを固体触媒により分解する方法を報告した(非特許文献3)。   Recently, we reported a method of decomposing cellulose with a solid catalyst using the ball mill method (Non-patent Document 3).

特許文献1:WO2011/036955
特許文献2:WO2014/007295
Patent Document 1: WO2011 / 036955
Patent Document 2: WO2014 / 007295

非特許文献1:Energy Fuels., 2006, 20, 807
非特許文献2:Biomacromolecules, 2006, 7, 644
非特許文献3:ACS Catal., 2013, 3, 581
特許文献1、2および非特許文献1、2、3の全記載は、それぞれ、ここに特に開示として援用される。
Non-patent document 1: Energy Fuels., 2006, 20, 807
Non-Patent Document 2: Biomacromolecules, 2006, 7, 644
Non-Patent Document 3: ACS Catal., 2013, 3, 581
The entire descriptions of Patent Literatures 1 and 2 and Non-Patent Literatures 1, 2, and 3 are each specifically incorporated herein by reference.

非特許文献3に記載の方法では、弱酸点を持つ炭素材料からなる固体触媒はセルロースを加水分解する能力を持つが、高収率でグルコースを合成するためには、炭素材料とセルロースを一緒にボールミル処理する必要があり、上述の問題は克服されていない。   In the method described in Non-Patent Document 3, a solid catalyst made of a carbon material having a weak acid point has the ability to hydrolyze cellulose. However, in order to synthesize glucose at a high yield, the carbon material and cellulose are combined together. Ball milling is required and the above problems are not overcome.

この前処理の目的は、セルロースの非晶質化ならびに炭素材料とセルロースの接触形成であり、同等の効果が得られる低エネルギーの前処理法の開発とこの前処理法を用いたセルロースを加水分解して高収率でグルコースを合成する方法が望まれている。   The purpose of this pretreatment is to make the cellulose amorphous and to form a contact between the carbon material and cellulose. Development of a low-energy pretreatment method that can achieve the same effect and hydrolysis of cellulose using this pretreatment method Thus, a method for synthesizing glucose in a high yield is desired.

本発明の目的は、固体触媒を用い、セルロースを加水分解してグルコースを合成する新たな方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a new method for synthesizing glucose by hydrolyzing cellulose using a solid catalyst.

本発明者らは、リン酸によりセルロースを溶解させた後、さらに溶液中に炭素材料からなる固体触媒を添加するとセルロースと炭素の相互作用のため、部分加水分解セルロースを含む可溶化したセルロース及び非晶質セルロースの吸着が起こり、その後、少量の水の存在下での加熱により、セルロースの加水分解を促進することができることを見出した。   When the cellulose is dissolved with phosphoric acid and then a solid catalyst made of a carbon material is further added to the solution, the present inventors have added solubilized cellulose containing partially hydrolyzed cellulose and non-hydrolyzed cellulose due to the interaction between cellulose and carbon. It has been found that the adsorption of crystalline cellulose occurs, and then the hydrolysis of cellulose can be promoted by heating in the presence of a small amount of water.

特に、リン酸中でセルロースを部分加水分解しておくと、炭素材料に対してより吸着しやすくなるとともに、溶液の粘度が劇的に低下し、溶液中での炭素材料に対する可溶化したセルロース及び非晶質セルロースの吸着と溶液からの吸着後の炭素材料の分離のプロセスにおける水の使用量を一層抑制することができることを見出した。
これらの知見に基づいて本発明を完成させた。
In particular, when cellulose is partially hydrolyzed in phosphoric acid, it becomes more easily adsorbed to the carbon material, and the viscosity of the solution is drastically reduced. It has been found that the amount of water used in the process of adsorption of amorphous cellulose and separation of the carbon material after adsorption from the solution can be further suppressed.
The present invention has been completed based on these findings.

本発明は以下の通りである。
[1]
セルロースを酸水溶液に溶解させる工程(1)、
セルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する工程(2)、
固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる工程(3)、及び
セルロースを吸着させた固体触媒を水の存在下で加熱してセルロースを加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得る工程(4)、
を含む糖類含有セルロース加水分解物の製造方法。
[2]
工程(1)中及び/又は後に、酸水溶液中で少なくとも一部のセルロースを少なくとも部分的に加水分解し、溶解させた後の生成物を工程(2)に供する、[1]に記載の製造方法。
[3]
部分加水分解は、40〜80℃の温度で行う、[2]に記載の製造方法。
[4]
工程(1)で用いるセルロースの少なくとも一部は、I型の結晶構造を有する[1]〜[3]のいずれかに記載の製造方法。
[5]
工程(1)で用いる酸水溶液の酸がリン酸、硫酸及び塩酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の酸である[1]〜[4]のいずれかに記載の製造方法。
[6]
工程(1)で用いる酸水溶液は、オルトリン酸水溶液である、[5]に記載の製造方法。
[7]
工程(1)で用いるオルトリン酸水溶液のリン酸濃度は75%以上である、[6]に記載の製造方法。
[8]
工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着は、酸水溶液に水を添加することで行う[1]〜[7]のいずれかに記載の製造方法。
[9]
工程(3)で得られたセルロースを吸着させた固体触媒を酸水溶液から分離し、かつ酸を除去した後に、工程(4)に供する、[1]〜[8]のいずれかに記載の製造方法。
[10]
工程(3)において固体触媒上に吸着したセルロースは、部分加水分解セルロース、非晶質セルロース及びセルロースIIから成る群から選ばれる少なくとも1種を含む、[1]〜[9]のいずれかに記載の製造方法。
[11]
セルロース加水分解固体触媒は、炭素触媒、窒化ホウ素及び遷移金属担持触媒から成る群から選ばれる少なくとも1種の触媒である[1]〜[10]のいずれかに記載の製造方法。
[12]
炭素触媒は、多孔質炭素材料であり、多孔質炭素材料は、活性炭又はカーボンブラックであることができる[11]に記載の製造方法。
[13]
遷移金属担持触媒は、固体担体に遷移金属を担持した触媒であり、固体担体は、炭素系材料及び窒化ホウ素から成る群から選ばれる少なくとも1種の材料である、[11]に記載の製造方法。
[14]
セルロースを吸着させた固体触媒における、触媒に対するセルロースの質量比は、100:1〜10000の範囲である、[1]〜[13]のいずれかに記載の製造方法。
[15]
工程(1)で用いるセルロースは植物性バイオマスである、[1]〜[14]のいずれかに記載の製造方法。
The present invention is as follows.
[1]
A step (1) of dissolving cellulose in an acid aqueous solution;
A step (2) of mixing a cellulose-hydrolyzed solid catalyst with an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved;
Step (3) of adsorbing at least a part of cellulose on the solid catalyst, and heating the solid catalyst adsorbing cellulose in the presence of water to hydrolyze the cellulose to obtain a hydrolyzate containing saccharides Step (4),
A method for producing a saccharide-containing cellulose hydrolyzate comprising
[2]
The production according to [1], wherein the product after at least partially hydrolyzing and dissolving at least a part of cellulose in an aqueous acid solution is subjected to step (2) during and / or after step (1). Method.
[3]
Partial hydrolysis is a manufacturing method as described in [2] performed at the temperature of 40-80 degreeC.
[4]
The production method according to any one of [1] to [3], wherein at least a part of the cellulose used in the step (1) has an I-type crystal structure.
[5]
The production method according to any one of [1] to [4], wherein the acid in the acid aqueous solution used in step (1) is at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid.
[6]
The production method according to [5], wherein the acid aqueous solution used in step (1) is an orthophosphoric acid aqueous solution.
[7]
The production method according to [6], wherein the phosphoric acid concentration of the aqueous orthophosphoric acid solution used in step (1) is 75% or more.
[8]
The production method according to any one of [1] to [7], wherein the adsorption of cellulose on the solid catalyst in the step (3) is performed by adding water to the acid aqueous solution.
[9]
The production according to any one of [1] to [8], wherein the solid catalyst adsorbed with cellulose obtained in the step (3) is separated from the acid aqueous solution and removed from the acid, and then subjected to the step (4). Method.
[10]
The cellulose adsorbed on the solid catalyst in the step (3) includes at least one selected from the group consisting of partially hydrolyzed cellulose, amorphous cellulose, and cellulose II, according to any one of [1] to [9]. Manufacturing method.
[11]
The production method according to any one of [1] to [10], wherein the cellulose hydrolyzed solid catalyst is at least one catalyst selected from the group consisting of a carbon catalyst, boron nitride, and a transition metal supported catalyst.
[12]
The production method according to [11], wherein the carbon catalyst is a porous carbon material, and the porous carbon material can be activated carbon or carbon black.
[13]
The transition metal-supported catalyst is a catalyst in which a transition metal is supported on a solid support, and the solid support is at least one material selected from the group consisting of a carbon-based material and boron nitride. .
[14]
The production method according to any one of [1] to [13], wherein the mass ratio of cellulose to catalyst in the solid catalyst on which cellulose is adsorbed is in the range of 100: 1 to 10,000.
[15]
The manufacturing method in any one of [1]-[14] whose cellulose used at a process (1) is vegetable biomass.

本発明によれば、ボールミル法を使わず、加えて従来のリン酸法(非特許文献2)よりもエネルギーを低減した前処理により、非晶質セルロース等が炭素材料等からなる固体触媒に強く接触した状態を形成することができ、この試料に対して加熱による加水分解条件を適用するとグルコースが高収率で得られる。   According to the present invention, amorphous cellulose or the like is strongly resistant to a solid catalyst made of a carbon material or the like by a pretreatment that does not use a ball mill method and in addition has reduced energy compared to the conventional phosphoric acid method (Non-Patent Document 2). A contact state can be formed, and glucose is obtained in high yield when hydrolysis conditions by heating are applied to this sample.

図1は、リン酸前処理したセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 1 shows the results of hydrolysis of cellulose pretreated with phosphoric acid. 図2は、セルロースの部分加水分解のための攪拌開始後0日、3日、7日及び9日後の溶液のサイズ排除クロマトグラフィーの結果を示す。FIG. 2 shows the results of size exclusion chromatography of the solution after 0, 3, 7, and 9 days after the start of stirring for partial hydrolysis of cellulose. 図3は、加水分解反応における、液化セルロースの吸着の有無の影響を示す。FIG. 3 shows the influence of the presence or absence of liquefied cellulose adsorption in the hydrolysis reaction. 図4は、セルロース溶解液の部分加水分解を60℃で行った場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 4 shows the results of the hydrolysis reaction of cellulose when partial hydrolysis of the cellulose solution was performed at 60 ° C. 図5は、活性炭の種類を替えた場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 5 shows the results of the hydrolysis reaction of cellulose when the type of activated carbon is changed. 図6は、活性炭とセルロースの量比を替えて行った場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 6 shows the results of the hydrolysis reaction of cellulose when the amount ratio of activated carbon and cellulose is changed. 図7は、部分加水分解セルロースの析出(吸着)に用いる溶媒を替えて行った場合のセルロースの加水分解反応の結果を示す。FIG. 7 shows the results of the hydrolysis reaction of cellulose when the solvent used for the precipitation (adsorption) of partially hydrolyzed cellulose was changed.

本発明は、以下の工程(1)〜(4)を含む、糖類含有セルロース加水分解物の製造方法に関する。
工程(1):セルロースを酸水溶液に溶解させる、
工程(2):セルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する、
工程(3):固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる、
工程(4):セルロースを吸着させた固体触媒を水の存在下で加熱してセルロースを加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得る。
The present invention relates to a method for producing a saccharide-containing cellulose hydrolyzate comprising the following steps (1) to (4).
Step (1): dissolving cellulose in an acid aqueous solution,
Step (2): A cellulose hydrolyzed solid catalyst is mixed with an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved.
Step (3): adsorbing at least a part of cellulose on the solid catalyst,
Step (4): The solid catalyst on which cellulose is adsorbed is heated in the presence of water to hydrolyze the cellulose to obtain a hydrolyzate containing saccharides.

工程(1)
工程(1)は、セルロースを酸水溶液に溶解させる工程である。
工程(1)で用いるセルロースは、例えば、植物性バイオマスであることができ、植物性バイオマスの主成分であるセルロースは、2本またはそれ以上のセルロース分子が水素結合により結合して結晶性を示すI型の結晶構造を有する。工程(1)では、そのような結晶性を有するセルロースを原料としてそのまま用いることができる。但し、セルロースは、酸水溶液への溶解前に、結晶性低下及び/又は部分加水分解の処理を施したものであることもできる。しかし、結晶性を有するセルロースをそのまま用いても、酸水溶液の種類や濃度によるが、比較的容易に溶解させることができるので、結晶性を有するセルロースをそのまま用いることが、余計な工程やエネルギーが不要となり好ましい。
Process (1)
Step (1) is a step of dissolving cellulose in an acid aqueous solution.
The cellulose used in the step (1) can be, for example, plant biomass, and the cellulose that is the main component of the plant biomass exhibits crystallinity by binding two or more cellulose molecules through hydrogen bonding. It has an I-type crystal structure. In the step (1), cellulose having such crystallinity can be used as it is as a raw material. However, the cellulose may be one that has been subjected to crystallinity reduction and / or partial hydrolysis treatment before dissolution in an acid aqueous solution. However, even if crystalline cellulose is used as it is, depending on the type and concentration of the acid aqueous solution, it can be dissolved relatively easily. Therefore, using crystalline cellulose as it is requires extra steps and energy. It is unnecessary and preferable.

結晶性を低下させたセルロースは、結晶性を部分的に低下させたものでも、完全にまたはほぼ完全に消失させたものでもよい。結晶性低下処理の種類には特に制限はないが、上記水素結合を切断して、1本鎖のセルロース分子を少なくとも部分的に生成できる結晶性低下処理であることができる。少なくとも部分的に1本鎖のセルロース分子を含むセルロースを原料とすることで、酸水溶液への溶解を加速することができる。   Cellulose with reduced crystallinity may be partially reduced in crystallinity or completely or almost completely lost. The type of the crystallinity reduction treatment is not particularly limited, but may be a crystallinity reduction treatment that can break the hydrogen bond and at least partially generate a single-chain cellulose molecule. By using cellulose containing at least partially a single-chain cellulose molecule as a raw material, dissolution in an acid aqueous solution can be accelerated.

物理的にセルロース分子間の水素結合を切断する方法は、例えば粉砕処理が挙げられる。粉砕手段は微粉化できる機能を備えているものであれば特に限定されない。例えば、装置の方式は乾式と湿式のいずれであってもよく、また装置の粉砕システムは回分式と連続式いずれであってもよい。さらに、装置の粉砕力は、衝撃、圧縮、せん断、摩擦などのいかなるものでも用いることができる。   Examples of a method for physically breaking hydrogen bonds between cellulose molecules include a pulverization treatment. The pulverizing means is not particularly limited as long as it has a function capable of being pulverized. For example, the system of the apparatus may be either dry type or wet type, and the pulverization system of the apparatus may be either batch type or continuous type. Furthermore, the crushing force of the apparatus can be any of impact, compression, shear, friction and the like.

工程(1)で用いる酸水溶液の酸は、セルロースを水溶液中で溶解できる酸であれば、特に制限はなく、無機酸であることができ、好ましくは、例えば、リン酸、硫酸及び塩酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の酸である。リン酸水溶液は、例えば、オルトリン酸水溶液であることができる。工程(1)で用いる酸水溶液の酸濃度は、セルロースを溶解できる濃度であれば、特に制限はなく、セルロースを溶解できる濃度は、酸の種類により異なる。例えば、オルトリン酸水溶液の場合、リン酸濃度が75%以上であればセルロースを溶解できる。セルロースの溶解がより容易であるという観点からは、80%以上、より好ましくは85%以上である。硫酸の場合は60%以上であり、塩酸の場合には30%以上で、セルロースを溶解することができる。   The acid of the acid aqueous solution used in the step (1) is not particularly limited as long as it is an acid capable of dissolving cellulose in the aqueous solution, and can be an inorganic acid, and preferably includes, for example, phosphoric acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid. And at least one acid selected from the group. The phosphoric acid aqueous solution can be, for example, an orthophosphoric acid aqueous solution. The acid concentration of the acid aqueous solution used in step (1) is not particularly limited as long as it is a concentration capable of dissolving cellulose, and the concentration capable of dissolving cellulose varies depending on the type of acid. For example, in the case of an orthophosphoric acid aqueous solution, cellulose can be dissolved if the phosphoric acid concentration is 75% or more. From the viewpoint of easier dissolution of cellulose, it is 80% or more, more preferably 85% or more. In the case of sulfuric acid, 60% or more, and in the case of hydrochloric acid, 30% or more, cellulose can be dissolved.

酸水溶液に溶解したセルロースは、酸及び水の作用により加水分解が進行する。工程(1)では、セルロースの溶解中(セルロースの溶解と並行して)及び/又はセルロースの溶解後に、酸水溶液中で少なくとも一部のセルロースを少なくとも部分的に加水分解し、低分子化して水溶液の粘度を低下させることが好ましい。酸水溶液中で溶解したセルロースは、加水分解を受けない場合であっても、工程(2)及び(3)において固体触媒に吸着はするが、加水分解を受け、部分加水分解したセルロースとなることで、固体触媒への吸着が容易になり、かつその後の工程(4)における加熱加水分解による糖の収率を向上させることができる。尚、酸水溶液中での酸によるセルロースの加水分解によって、条件にもよるが、少量ではあるが、糖(グルコース)が生成する場合があり得る。   The cellulose dissolved in the acid aqueous solution is hydrolyzed by the action of acid and water. In the step (1), during the dissolution of the cellulose (in parallel with the dissolution of the cellulose) and / or after the dissolution of the cellulose, at least a part of the cellulose is at least partially hydrolyzed in the acid aqueous solution to reduce the molecular weight and thereby the aqueous solution. It is preferable to reduce the viscosity of Even if the cellulose dissolved in the acid aqueous solution is not hydrolyzed, it is adsorbed to the solid catalyst in steps (2) and (3), but undergoes hydrolysis to become partially hydrolyzed cellulose. Thus, the adsorption onto the solid catalyst is facilitated, and the yield of sugar by heating hydrolysis in the subsequent step (4) can be improved. It should be noted that sugar (glucose) may be produced by hydrolysis of cellulose by acid in an acid aqueous solution, although it depends on conditions, although it is a small amount.

酸水溶液に対してセルロースを溶解させた後、さらに、例えば、1分間〜10日間セルロースを溶解した酸水溶液を保持することで、セルロースの少なくとも部分加水分解を進行させることが好ましい。この段階でのセルロースの加水分解の時間は、酸の種類及び濃度、セルロースの濃度、処理温度、セルロースの所望の加水分解の程度などを考慮して適宜決定することができ、上記1分間〜10日間は、あくまでも例示であり、この範囲に限定される意図ではない。処理温度は、例えば、常温(0〜40℃)の範囲であることができ、加熱することで、溶解及び加水分解を促進させることもできる。加熱温度には特に制限はないが、例えば、30℃〜100℃の範囲、好ましくは40〜80℃の範囲である。常温では、1日以上保持することが好ましく、より好ましくは3日以上保持する。一方で保持する時間が長すぎると、溶解したセルロースの沈殿や固体副生成物が生じ、グルコースの収量が減少することがある。常温では、9日以下に保持することが好ましい。40〜80℃の範囲の場合には、温度にもよるが、1分間〜240分間の範囲であることができ、60℃の場合には、10〜120分間の範囲であることができる。いずれの場合にも、最終的な加水分解によるグルコースの収量を考慮して適宜決定することができる。   After dissolving the cellulose in the acid aqueous solution, it is preferable to further promote at least partial hydrolysis of the cellulose by, for example, holding an acid aqueous solution in which the cellulose is dissolved for 1 minute to 10 days. The time for hydrolysis of cellulose at this stage can be appropriately determined in consideration of the type and concentration of acid, the concentration of cellulose, the treatment temperature, the desired degree of hydrolysis of cellulose, and the like. The days are merely examples and are not intended to be limited to this range. Processing temperature can be the range of normal temperature (0-40 degreeC), for example, can also melt | dissolve and hydrolyze by heating. Although there is no restriction | limiting in particular in heating temperature, For example, it is the range of 30 to 100 degreeC, Preferably it is the range of 40 to 80 degreeC. At normal temperature, it is preferable to hold for 1 day or more, more preferably 3 days or more. On the other hand, if the holding time is too long, dissolved cellulose precipitates and solid by-products may be formed, and the yield of glucose may be reduced. At room temperature, it is preferable to keep it for 9 days or less. In the case of 40 to 80 ° C., depending on the temperature, it can be in the range of 1 minute to 240 minutes, and in the case of 60 ° C., it can be in the range of 10 to 120 minutes. In any case, it can be determined appropriately in consideration of the yield of glucose by final hydrolysis.

セルロースを溶解させた酸水溶液におけるセルロースの濃度は、工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着量や状態、その後の工程(4)におけるセルロースの加熱加水分解の進行具合等を考慮して適宜決定できる。このセルロースの濃度は、例えば、5〜500g/Lの範囲、好ましくは10〜200g/Lの範囲、より好ましくは15〜100g/Lの範囲とすることができる。但し、これらの数値範囲は、例示であり、制限されるものではない。   The concentration of cellulose in the acid aqueous solution in which cellulose is dissolved is determined in consideration of the amount and state of cellulose adsorbed on the solid catalyst in step (3), the progress of heating hydrolysis of cellulose in the subsequent step (4), etc. It can be determined as appropriate. The cellulose concentration can be, for example, in the range of 5 to 500 g / L, preferably in the range of 10 to 200 g / L, and more preferably in the range of 15 to 100 g / L. However, these numerical ranges are examples and are not limited.

工程(2)
工程(1)でセルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する。セルロース加水分解固体触媒については後述する。本発明においては、固体触媒を、セルロースを溶解した酸水溶液に混合する。具体的には、セルロースを溶解した酸水溶液に固体触媒を添加し、さらに攪拌することで混合する。攪拌は、酸水溶液に固体触媒がほぼ均一に分散するように行うことが好ましい。酸水溶液に対する固体触媒の添加量は、固体触媒の種類、酸水溶液におけるセルロースの濃度、工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着量や状態、その後の工程(4)におけるセルロースの加熱加水分解の進行具合等を考慮して適宜決定できる。酸水溶液に対する固体触媒の添加量は、例えば、2〜500g/Lの範囲、好ましくは5〜200g/Lの範囲、より好ましくは10〜100g/Lの範囲とすることができる。但し、これらの数値範囲は、例示であり、制限されるものではない。
Step (2)
A cellulose hydrolysis solid catalyst is mixed with the acid aqueous solution in which cellulose is dissolved in step (1). The cellulose hydrolysis solid catalyst will be described later. In the present invention, the solid catalyst is mixed with an aqueous acid solution in which cellulose is dissolved. Specifically, a solid catalyst is added to an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved, and further mixed by stirring. Stirring is preferably performed so that the solid catalyst is substantially uniformly dispersed in the acid aqueous solution. The amount of the solid catalyst added to the aqueous acid solution is the kind of the solid catalyst, the concentration of cellulose in the aqueous acid solution, the amount and state of cellulose adsorbed on the solid catalyst in step (3), and the heating and hydrolysis of cellulose in the subsequent step (4). It can be appropriately determined in consideration of the progress of decomposition. The amount of the solid catalyst added to the aqueous acid solution can be, for example, in the range of 2 to 500 g / L, preferably in the range of 5 to 200 g / L, and more preferably in the range of 10 to 100 g / L. However, these numerical ranges are examples and are not limited.

工程(3)
工程(2)で酸水溶液と混合した固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる。固体触媒上へのセルロースの吸着は、酸がリン酸の場合、工程2で固体触媒を添加すると一部が吸着するが、酸水溶液に水を添加することでさらに促進させることができる。リン酸水溶液においては、リン酸濃度が低下するとセルロースの溶解度が低下し、その結果、水溶液中のセルロース(部分加水分解セルロースを含む)は、固体触媒上に吸着される。セルロース(部分加水分解セルロースを含む)を吸着した固体触媒を酸水溶液から分離し、かつ必要により酸を除去することで、セルロース(部分加水分解セルロースを含む)を吸着した固体触媒を得ることができる。硫酸及び塩酸の場合も、リン酸と同様とすることができる。
Process (3)
At least a part of cellulose is adsorbed on the solid catalyst mixed with the acid aqueous solution in the step (2). When the acid is phosphoric acid, the adsorption of cellulose on the solid catalyst is partially adsorbed when the solid catalyst is added in Step 2, but can be further promoted by adding water to the acid aqueous solution. In the phosphoric acid aqueous solution, when the phosphoric acid concentration decreases, the solubility of cellulose decreases, and as a result, the cellulose (including partially hydrolyzed cellulose) in the aqueous solution is adsorbed on the solid catalyst. A solid catalyst adsorbing cellulose (including partially hydrolyzed cellulose) can be obtained by separating the solid catalyst adsorbing cellulose (including partially hydrolyzed cellulose) from the acid aqueous solution and removing the acid if necessary. . In the case of sulfuric acid and hydrochloric acid, it can be the same as phosphoric acid.

工程(3)において固体触媒上に吸着したセルロースは、部分加水分解セルロース、非晶質セルロース及びセルロースIIから成る群から選ばれる少なくとも1種を含むことができる。セルロースを吸着させた固体触媒における、触媒に対するセルロースの質量比は、特に制限はないが、例えば、100:1〜10000の範囲であることができる。工程(4)における加熱加水分解の条件を考慮すると、例えば、100:10〜1000の範囲であることができる。   The cellulose adsorbed on the solid catalyst in the step (3) can contain at least one selected from the group consisting of partially hydrolyzed cellulose, amorphous cellulose and cellulose II. The mass ratio of cellulose to catalyst in the solid catalyst on which cellulose is adsorbed is not particularly limited, but can be, for example, in the range of 100: 1 to 10,000. In consideration of the conditions of heat hydrolysis in the step (4), for example, the range may be 100: 10 to 1000.

セルロースを吸着した固体触媒は、酸を除去するために例えば、水洗することができる。水洗により酸は除去されるが一部の酸は残存しても良く、残存する酸は、工程(4)における加熱加水分解の時に、固体触媒とともにセルロースの加水分解を促進するものと考えられる。但し、残存する酸は、工程(4)において得られる糖を含有する加水分解物に混入する虞があり、過剰に多くの酸の残存は好ましくない。工程(3)における固体触媒に対する酸の残存は、この点を考慮して適宜調整することができる。   The solid catalyst having adsorbed cellulose can be washed with water, for example, in order to remove the acid. Although the acid is removed by washing with water, a part of the acid may remain, and the remaining acid is considered to promote the hydrolysis of cellulose together with the solid catalyst during the heating hydrolysis in the step (4). However, the remaining acid may be mixed in the hydrolyzate containing the sugar obtained in the step (4), and excessive remaining of the acid is not preferable. The remaining of the acid with respect to the solid catalyst in the step (3) can be appropriately adjusted in consideration of this point.

<セルロース加水分解固体触媒>
セルロース加水分解固体触媒は、植物性バイオマスの加水分解を触媒できるものであれば特に限定されるものではないが、主成分であるセルロースを形成しているグルコース間のβ−1,4グリコシド結合に代表されるような、グリコシド結合を加水分解する活性を有することが好ましい。さらに、本発明で用いるセルロース加水分解触媒は、工程(3)において、非晶質セルロースを含む溶解したセルロースに対する吸着能を有するものであることが適当である。工程(3)において非晶質セルロースを含む再生セルロースを吸着した触媒は、工程(4)において、水の存在下での加熱により、吸着したセルロースを効率的に加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得ることができる。詳細は後述する。
<Cellulose hydrolysis solid catalyst>
The cellulose hydrolysis solid catalyst is not particularly limited as long as it can catalyze the hydrolysis of plant biomass. However, the cellulose hydrolysis solid catalyst has a β-1,4 glycosidic bond between glucose forming cellulose as a main component. It preferably has an activity to hydrolyze a glycosidic bond, as typified. Furthermore, it is appropriate that the cellulose hydrolysis catalyst used in the present invention has an adsorption ability for dissolved cellulose containing amorphous cellulose in the step (3). The catalyst that has adsorbed the regenerated cellulose containing amorphous cellulose in step (3) contains saccharides by efficiently hydrolyzing the adsorbed cellulose by heating in the presence of water in step (4). A hydrolyzate can be obtained. Details will be described later.

グリコシド結合を加水分解する活性及び非晶質セルロースを含む溶解したセルロースに対する吸着能を有する触媒は、例えば炭素材料、窒化ホウ素(六方晶のh-BN)や遷移金属担持触媒などが挙げられる。炭素材料及び窒化ホウ素は、触媒活性と吸着能を併せ持つのに対して、遷移金属担持触媒は、遷移金属が主に触媒活性に寄与し触媒担体が吸着能に寄与する。これらの触媒は、単独でまたは2種類以上を併用して用いることができる。   Examples of the catalyst having the activity of hydrolyzing glycosidic bonds and the ability to adsorb dissolved cellulose containing amorphous cellulose include carbon materials, boron nitride (hexagonal h-BN), and transition metal supported catalysts. The carbon material and boron nitride have both catalytic activity and adsorption capacity, whereas in the transition metal supported catalyst, the transition metal mainly contributes to the catalytic activity and the catalyst carrier contributes to the adsorption capacity. These catalysts can be used alone or in combination of two or more.

「炭素材料」としては、例えば活性炭、カーボンブラック、グラファイトなどが挙げられる。これら炭素材料は、単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。炭素材料の形状は、基質との接触面積の拡大により反応性を向上させるという点で、多孔性及び/または微粒子であることが好ましく、酸点を発現して加水分解を促進させるという点で、その表面にフェノール性水酸基、カルボキシル基、ラクトン(COOR)基、スルホ基、リン酸基などの官能基をもつことが好ましい。官能基を表面に有する多孔性炭素材としては、ヤシガラ、竹、松、くるみガラ、バガスなどの木質材料や、コークス、フェノールなどを、水蒸気、二酸化炭素、空気などのガスを用いて高温で処理する物理法や、アルカリ、塩化亜鉛などの化学薬品を用いて高温で処理する化学法などにより調製された活性炭が挙げられる。「炭素材料」の具体例としては、後述の炭素系担体の具体例を参照することができる。   Examples of the “carbon material” include activated carbon, carbon black, graphite and the like. These carbon materials may be used alone or in combination of two or more. The shape of the carbon material is preferably porous and / or fine particles in terms of improving reactivity by expanding the contact area with the substrate, and in terms of promoting acid hydrolysis by expressing acid sites. The surface preferably has a functional group such as a phenolic hydroxyl group, a carboxyl group, a lactone (COOR) group, a sulfo group, or a phosphate group. As porous carbon materials having functional groups on the surface, woody materials such as palm, bamboo, pine, walnut, and bagasse, coke, phenol, etc., are treated at high temperatures using gases such as water vapor, carbon dioxide, and air. And activated carbon prepared by a chemical method such as a chemical method of treating at a high temperature using a chemical such as alkali or zinc chloride. As specific examples of the “carbon material”, reference can be made to specific examples of the carbon-based support described later.

炭素材料が表面に有する官能基として、フェノール性水酸基、カルボキシル基、ラクトン(COOR)基を有する場合、ベーム滴定(Boehm titration)で特定することができる。ベーム滴定による炭素材料が表面に有するフェノール性水酸基、カルボキシル基、及びラクトン(COOR)基の合計は、例えば、0.1〜10mmol/gの範囲であることができる。さらに、カルボキシル基の量は、0.01〜5 mmol/gの範囲、フェノール性水酸基とラクトン(COOR)基の合計は、例えば、0.01〜5 mmol/gの範囲であることができる。 When the carbon material has a phenolic hydroxyl group, a carboxyl group, or a lactone (COOR) group as a functional group on the surface, it can be identified by Boehm titration. The total of the phenolic hydroxyl group, carboxyl group, and lactone (COOR) group on the surface of the carbon material by the boehm titration can be, for example, in the range of 0.1 to 10 mmol / g. Furthermore, the amount of the carboxyl group can be in the range of 0.01 to 5 mmol / g, and the total of the phenolic hydroxyl group and the lactone (COOR) group can be in the range of 0.01 to 5 mmol / g, for example.

「遷移金属担持触媒」に用いられる担体は、例えば、炭素系担体及び無機材料担体を挙げることができる。炭素系担体とは、遷移金属が担持される部分が炭素からなる担体であり、その少なくとも一部が多孔質材料からなるものが適当である。すなわち、本発明の触媒に用いられる炭素系担体は、少なくとも遷移金属が担持される部分の表面が多孔質炭素材料からなることが適当であり、担体全体が多孔質炭素材料からなっていても、あるいは非多孔質炭素材料からなる支持体の表面が多孔質炭素材料で被覆されたものであってもよい。担体の支持体は炭素以外の材料からなっていてもよく、また、多孔質または非多孔質のいずれであってもよい。   Examples of the support used for the “transition metal supported catalyst” include a carbon-based support and an inorganic material support. The carbon-based support is a support in which the portion on which the transition metal is supported is made of carbon, and at least a part of the support is made of a porous material. That is, the carbon-based support used in the catalyst of the present invention is suitably at least the surface of the portion on which the transition metal is supported is made of a porous carbon material, and even if the entire support is made of a porous carbon material, Alternatively, the surface of a support made of a non-porous carbon material may be coated with a porous carbon material. The support of the carrier may be made of a material other than carbon, and may be porous or non-porous.

炭素系の固体担体の具体例としては活性炭またはカーボンブラックを挙げることができる。活性炭としては、例えば、和光純薬工業(株)製活性炭素(クロマトグラフ用,破砕状0.2〜1mm,破砕状2〜5mm,顆粒状,粉末,粉末酸洗浄,粉末アルカリ性,粉末中性,棒状)、関東化学(株)製活性炭素(粒状、粉末)、東京化成(株)製活性炭(酸化触媒用)、シグマアルドリッチジャパン(株)製Activated carbon granule 4-14 mesh、日本ノリット(株)製PK, PKDA 10x30 MESH (MRK), ELORIT, AZO, DARCO, HYDRODARCO 3000/4000, DARCO LI, PETRODARCO, DARCO MRX, GAC, GAC PLUS, DARCO VAPURE, GCN, C GRAN, ROW/ROY, RO, ROX, RB/W, R, R.EXTRA, SORBONORIT, GF 40/45, CNR, ROZ, RBAA, RBHG, RZN, RGM, SX, SX Ultra, SA, D 10, VETERINAIR, PN, ZN, SA-SW, W, GL, SAM, HB PLUS, A/B/C EUR/USP, CA, CN, CG, GB, CAP/CGP SUPER, S-51, S-51 A, S-51 HF, S-51 FF, DARCO GFP, HDB/HDC/HDR/HDW, GRO SAFE, DARCO INSUL, FM-1, DARCO TRS, DARCO FGD/FGL/Hg/Hg-LH, PAC 20/200、日本エンバイロケミカルズ(株)製白鷺(A、C、DO-2、DO-5、DO-11、FAC-10、M、P、PHC、エレメントDC)、アルデナイト、カルボラフィン、カルボラフィンDC、ハニカムカーボ白鷺、モルシーボン、強力白鷺、精製白鷺、特製白鷺、X-7000/X-7100、X-7000-3/X-7100-3、LPM006、LPM007、粒状白鷺(APRC、C2c、C2x、DC、G2c、G2x、GAAx、GH2x、GHxUG、GM2x、GOC、GOHx、GOX、GS1x、GS2x、GS3x、GTx、GTsx、KL、LGK-100、LGK-400、LGK-700、LH2c、MAC、MAC-W、NCC、S2x、SRCX、TAC、WH2c/W2c、WH2x、WH5c/W5c、WHA、X2M(モルシーボン5A)、XRC)、球状白鷺(X7000H/X7100H、X7000H-3/X7100H-3、DX7-3)、クラレケミカル(株)製気相用粒状活性炭GG/GS/GA、気相用活性炭GW/GL/GLC/KW/GWC、粉末活性炭PW/PK/PDX、カルゴンカーボンジャパン(株)製ダイヤホープ(006, 006S, 007, 008, 008B, 008S, 106, 6D, 6MD, 6MW, 6W, S60, C, DX, MM, MZ, PX, S60S, S61, S70, S80, S80A, S80J, S80S, S81, ZGA4, ZGB4, ZGN4, ZGR3, ZGR4, ZS, ZX-4, ZX-7)、ダイヤソープ(F, G4-8, W 8-32, W 10-30, XCA-C, XCA-AS, ZGR4-C)、カルゴン(AG 40, AGR, APA, AP3-60, AP4-60, APC, ASC, BPL, BPL 4x10, CAL, CENTAUR 4x6, CENTAUR 8x30, CENTAUR 12x40, CENTAUR HSV, CPG 8x30, CPG 12x40, F-AG 5, Filtrasorb 300, Filtrasorb 400, GRC 20, GRC 20 12x40, GRC 22, HGR, HGR-LH, HGR-P, IVP 4x6, OL 20x50, OLC 20x50, PCB, PCB 4x10, RVG, SGL, STL 820, URC, WS 460, WS 465, WS 480, WS490, WSC 470)、味の素ファインテクノ(株)製BA, BA-H, CL-H, CL-K, F-17, GS-A, GS-B, HF, HG, HG-S, HN, HP, SD, Y-180C, Y-4, Y-4S, Y-10S, Y-10SF, YF-4, YN-4, YP, ZN、(株)キャタラー製Aシリーズ、BC-9、BFGシリーズ、CTシリーズ、DSWシリーズ、FM-150、FW、FYシリーズ、GA、PGシリーズ 、WAシリーズ等が挙げられる。また、カーボンブラックとしては、例えば、キャボットコーポレーション(Cabot corporation)社製CRX 1444, CRX 4210, CRX 1346, REGAL 300, STERLING NS, STERLING NS-1, STERLING SO, STERLING VH, STERLING V, SPHERON 5000, SPHERON 6000, Black Pearls 2000, VULCAN 10H, VULCAN 1391, VULCAN 3, VULCAN 3H, VULCAN 6, VULCAN 7H, VULCAN 9, VULCAN J, VULCAN M, VULCAN XC72, VULCAN XC72R, VULCAN XC500, VULCAN XC200, VULCAN XC605, VULCAN XC305等が挙げられる。   Specific examples of the carbon-based solid support include activated carbon and carbon black. As the activated carbon, for example, activated carbon manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (for chromatograph, crushed 0.2-1 mm, crushed 2-5 mm, granular, powder, powdered acid washing, powder alkaline, powder neutral , Bar-shaped), activated carbon (granular, powder) manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., activated carbon (for oxidation catalyst) manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., activated carbon granule 4-14 mesh manufactured by Sigma Aldrich Japan Co., Ltd. ) PK, PKDA 10x30 MESH (MRK), ELORIT, AZO, DARCO, HYDRODARCO 3000/4000, DARCO LI, PETRODARCO, DARCO MRX, GAC, GAC PLUS, DARCO VAPURE, GCN, C GRAN, ROW / ROY, RO, ROX , RB / W, R, R.EXTRA, SORBONORIT, GF 40/45, CNR, ROZ, RBAA, RBHG, RZN, RGM, SX, SX Ultra, SA, D 10, VETERINAIR, PN, ZN, SA-SW, W, GL, SAM, HB PLUS, A / B / C EUR / USP, CA, CN, CG, GB, CAP / CGP SUPER, S-51, S-51 A, S-51 HF, S-51 FF, DARCO GFP, HDB / HDC / HDR / HDW, GRO SAFE, DARCO INSUL, FM-1, DARCO TRS, DARCO FGD / FGL / Hg / Hg-LH, PAC 20/200, Nippon Environment White rice cake (A, C, DO-2, DO-5, DO-11, FAC-10, M, P, PHC, element DC) manufactured by Rochemicals Co., Ltd., aldenite, carborafine, carborafine DC, honeycomb carbon White birch, Malcybon, strong white birch, refined white birch, special white birch, X-7000 / X-7100, X-7000-3 / X-7100-3, LPM006, LPM007, granular white birch (APRC, C2c, C2x, DC, G2c, G2x, GAAx, GH2x, GHxUG, GM2x, GOC, GOHx, GOX, GS1x, GS2x, GS3x, GTx, GTsx, KL, LGK-100, LGK-400, LGK-700, LH2c, MAC, MAC-W, NCC, S2x, SRCX, TAC, WH2c / W2c, WH2x, WH5c / W5c, WHA, X2M (Morcybon 5A), XRC), spherical white rabbit (X7000H / X7100H, X7000H-3 / X7100H-3, DX7-3), Kuraray Chemical ( Granular activated carbon GG / GS / GA manufactured by Co., Ltd., activated carbon GW / GL / GLC / KW / GWC for gas phase, powdered activated carbon PW / PK / PDX, Diahope manufactured by Calgon Carbon Japan (006, 006S, 007, 008, 008B, 008S, 106, 6D, 6MD, 6MW, 6W, S60, C, DX, MM, MZ, PX, S60S, S61, S70, S80, S80A, S80J, S8 0S, S81, ZGA4, ZGB4, ZGN4, ZGR3, ZGR4, ZS, ZX-4, ZX-7), diamond soap (F, G4-8, W 8-32, W 10-30, XCA-C, XCA- AS, ZGR4-C), Calgon (AG 40, AGR, APA, AP3-60, AP4-60, APC, ASC, BPL, BPL 4x10, CAL, CENTAUR 4x6, CENTAUR 8x30, CENTAUR 12x40, CENTAUR HSV, CPG 8x30, CPG 12x40, F-AG 5, Filtrasorb 300, Filtrasorb 400, GRC 20, GRC 20 12x40, GRC 22, HGR, HGR-LH, HGR-P, IVP 4x6, OL 20x50, OLC 20x50, PCB, PCB 4x10, RVG, SGL, STL 820, URC, WS 460, WS 465, WS 480, WS490, WSC 470), Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd. BA, BA-H, CL-H, CL-K, F-17, GS-A , GS-B, HF, HG, HG-S, HN, HP, SD, Y-180C, Y-4, Y-4S, Y-10S, Y-10SF, YF-4, YN-4, YP, ZN Cataler A series, BC-9, BFG series, CT series, DSW series, FM-150, FW, FY series, GA, PG series, WA series, etc. Examples of carbon black include CRX 1444, CRX 4210, CRX 1346, REGAL 300, STERLING NS, STERLING NS-1, STERLING SO, STERLING VH, STERLING V, SPHERON 5000, SPHERON manufactured by Cabot Corporation. 6000, Black Pearls 2000, VULCAN 10H, VULCAN 1391, VULCAN 3, VULCAN 3H, VULCAN 6, VULCAN 7H, VULCAN 9, VULCAN J, VULCAN M, VULCAN XC72, VULCAN XC72R, VULCAN XC500, VULCAN XC200, VULCAN XC605, VULCAN XC305 Etc.

また、メソポーラスシリカを鋳型として作製されるCMKに代表されるメソポーラスカーボンや、コークス、フェノール、あるいはヤシガラを熱処理し、アルカリまたは水蒸気により賦活して得られる多孔性炭素材料を用いることができる。これらの多孔性炭素材料の比表面積は300〜2500m2/gが好ましく、500〜2000m2/gがより好ましい。Moreover, a porous carbon material obtained by heat-treating mesoporous carbon typified by CMK produced using mesoporous silica as a template, coke, phenol, or coconut shell and activating with alkali or water vapor can be used. The specific surface area of these porous carbon material is preferably 300~2500m 2 / g, 500~2000m 2 / g is more preferable.

固体担体の形状、形態は、特に制限されないが、例えば、粉体状、粒子状、顆粒状、ペレット状、ハニカム状、リング状、円柱状、リブ押出し型、リブリング状のものが挙げられる。粉体状、粒子状、顆粒状、ペレット状の担体は、例えば、前記の多孔性炭素材料のみからなることができる。それに対してハニカム構造の担体は、非多孔質材料、例えば、コージエライト等からなる支持体の表面に前記の多孔性炭素材料が被覆されたものでもよい。また、前述のように支持体は、別の多孔質材料からなるものでもよい。   The shape and form of the solid carrier are not particularly limited, and examples thereof include powder, particles, granules, pellets, honeycombs, rings, columns, rib extrusions, and rib rings. The carrier in the form of powder, particles, granules, or pellets can be made of, for example, only the porous carbon material. On the other hand, the carrier having a honeycomb structure may be a non-porous material, for example, a surface of a support made of cordierite or the like and coated with the porous carbon material. Further, as described above, the support may be made of another porous material.

遷移金属としては、例えば、ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ニッケル、コバルト、鉄、銅、銀、金などが挙げられる。これら遷移金属は、単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。触媒活性が高いという観点からは、ルテニウム、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウムの白金族金属から選ばれるものが好ましい。さらに、セルロース転化率とグルコース選択率が高いという観点から、遷移金属は、ルテニウム、白金、パラジウム及びロジウムから選ばれるものが特に好ましい。触媒活性が高いという観点からは、ルテニウムが最も好ましい。   Examples of the transition metal include ruthenium, platinum, rhodium, palladium, iridium, nickel, cobalt, iron, copper, silver, and gold. These transition metals may be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of high catalytic activity, those selected from platinum group metals such as ruthenium, platinum, rhodium, palladium and iridium are preferred. Furthermore, from the viewpoint of high cellulose conversion and glucose selectivity, the transition metal is particularly preferably selected from ruthenium, platinum, palladium and rhodium. From the viewpoint of high catalytic activity, ruthenium is most preferable.

遷移金属の固体担体への担持量は、遷移金属の種類による活性の差異を考慮して適宜決定されるが、例えば、触媒の0.01〜50質量%、好ましくは0.01〜30質量%、より好ましくは0.01〜10質量%であることが適当である。   The amount of the transition metal supported on the solid support is appropriately determined in consideration of the difference in activity depending on the type of the transition metal. For example, 0.01 to 50% by mass, preferably 0.01 to 30% by mass of the catalyst. More preferably, the content is 0.01 to 10% by mass.

本発明で用いられる炭素系担体に遷移金属を担持した固体触媒は、通常の金属担持固体触媒の製造方法を参照して、例えば、含浸法により次のように調製することができる。炭素系担体を150℃で1時間、真空乾燥する。次に水を加えて分散させ、ここに所定量の金属塩を含む水溶液を加えて15時間撹拌する。その後、減圧で水を留去して得られた固体を水素気流下、400℃で2時間還元して得られた固体を触媒とする。金属塩の具体例としては、市販の塩化ルテニウム(RuCl3・3H2O)、ニトロシル硝酸ルテニウムRu(NO)(NO、塩化白金酸(H2PtCl6・6H2O)、ジアンミンジニトロ白金Pt(NH(NO、塩化パラジウム(PdCl2)、塩化ロジウム(RhCl3・3H2O)、塩化イリジウム(IrCl3・3H2O)、塩化金酸(HAuCl4・4H2O)、硝酸コバルト(Co(NO32・6H2O)等が挙げられる。但し、これらに限定される意図ではない。なお、PdCl2は水に不溶性なので、Pdに対し4等量の塩酸を添加してH2PdCl4水溶液として用いることができる。また同様にIrCl3・3H2Oは、塩酸に溶解させて用いることができる。The solid catalyst in which the transition metal is supported on the carbon-based support used in the present invention can be prepared as follows by, for example, an impregnation method with reference to a general method for producing a metal-supported solid catalyst. The carbon-based support is vacuum dried at 150 ° C. for 1 hour. Next, water is added and dispersed, and an aqueous solution containing a predetermined amount of metal salt is added thereto and stirred for 15 hours. Thereafter, the solid obtained by distilling off water under reduced pressure is reduced to 400 ° C. for 2 hours under a hydrogen stream, and the solid obtained as a catalyst. Specific examples of metal salts include commercially available ruthenium chloride (RuCl 3 .3H 2 O), ruthenium nitrosyl nitrate Ru (NO) (NO 3 ) 3 , chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 .6H 2 O), diammine dinitro Platinum Pt (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 , palladium chloride (PdCl 2 ), rhodium chloride (RhCl 3 .3H 2 O), iridium chloride (IrCl 3 .3H 2 O), chloroauric acid (HAuCl 4 .4H) 2 O), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O), and the like. However, it is not the intention limited to these. Since PdCl 2 is insoluble in water, 4 equivalents of hydrochloric acid can be added to Pd and used as an H 2 PdCl 4 aqueous solution. Similarly, IrCl 3 .3H 2 O can be used by dissolving in hydrochloric acid.

工程(4)
工程(4)における加水分解は、セルロースを吸着した固体触媒を水の存在下、好ましくは加圧状態となる温度で加熱して行う。加圧状態となる加熱の温度は、例えば、110〜380℃の範囲が適当である。セルロースの加水分解を迅速に行い、かつ生成物であるグルコースの他の糖への転化を抑制するという観点から、比較的高い温度が好ましく、例えば、最高加熱(反応)温度は、170〜320℃、より好ましくは170〜200℃、さらに好ましくは170〜190℃の範囲とすることが適当である。また、当該温度における保持時間は、0〜120分であることが好ましい。
Process (4)
The hydrolysis in the step (4) is performed by heating the solid catalyst having adsorbed cellulose in the presence of water, preferably at a temperature at which it is pressurized. For example, a temperature of 110 to 380 ° C. is appropriate for the heating temperature at which the pressure is applied. A relatively high temperature is preferable from the viewpoint of rapidly hydrolyzing cellulose and suppressing the conversion of the product glucose to other sugars. For example, the maximum heating (reaction) temperature is 170 to 320 ° C. More preferably, the temperature is in the range of 170 to 200 ° C, more preferably 170 to 190 ° C. The holding time at the temperature is preferably 0 to 120 minutes.

セルロースの加水分解は、通常はオートクレーブ等の密閉容器内で実施されるため、反応開始時は常圧であっても、上記温度で反応系が加熱されると加圧状態となる。さらに、反応前または反応中に密閉容器内を加圧し、反応することもできる。加圧する圧力は、例えば0.1〜30MPa、好ましくは1〜20MPa、さらに好ましくは2〜10MPaである。また密閉容器中以外に、高圧ポンプにより反応液を流通させながら加熱、加圧して反応することもできる。   Since hydrolysis of cellulose is usually carried out in a closed container such as an autoclave, even if the reaction is started at normal pressure, the reaction system is heated at the above temperature to be in a pressurized state. Further, the reaction can be carried out by pressurizing the inside of the sealed container before or during the reaction. The pressure to pressurize is, for example, 0.1 to 30 MPa, preferably 1 to 20 MPa, and more preferably 2 to 10 MPa. In addition to the sealed container, the reaction can also be carried out by heating and pressurizing the reaction solution with a high-pressure pump.

加水分解のための水の存在量は、少なくともセルロースを全量加水分解できる量であり、反応混合物の流動性や撹拌性等を考慮して、セルロースの質量に対して、1〜500倍の量、好ましくは2〜200倍の量とすることができる。   The amount of water for hydrolysis is an amount capable of hydrolyzing at least the total amount of cellulose, taking into consideration the fluidity and agitation of the reaction mixture, an amount of 1 to 500 times the mass of cellulose, Preferably, the amount can be 2 to 200 times.

前記加水分解の雰囲気は特に限定されない。工業上は空気雰囲気下で行うことが好ましいが、空気以外の気体、例えば、酸素、窒素、水素またはそれらの混合物の雰囲気下で行ってもよい。   The hydrolysis atmosphere is not particularly limited. Industrially, it is preferably performed in an air atmosphere, but may be performed in an atmosphere of a gas other than air, for example, oxygen, nitrogen, hydrogen, or a mixture thereof.

前記加水分解のための加熱は、セルロースの加水分解による転化率が10〜100%の間で、グルコースの選択率が20〜90%の間にある時点で終了することが、グルコースの収率を高める上で好ましい。セルロースの加水分解による転化率が10〜100%の間で、グルコースの選択率が20〜90%の間にある時点は、加熱温度、使用する固体触媒の種類や量、水の量(セルロースに対する割合)、セルロースの種類、撹拌方法や条件等により変化するので、これらの条件を決めた上で、実験的に決定することができる。加熱時間は、通常の条件では加水分解反応のための加熱開始から、例えば、5〜60分の範囲であり、好ましくは5〜30分の範囲であるが、この範囲に限定されるものではない。また、加水分解のための加熱は、セルロースの加水分解による転化率が、好ましくは30〜100%の範囲、より好ましくは40〜100%の範囲、さらに好ましくは50〜100%の範囲、最も好ましくは55〜100%の範囲であり、グルコースの選択率が、好ましくは25〜90%の範囲、より好ましくは30〜90%の範囲、最も好ましくは40〜90%の範囲である時点で終了することが適当である。   The heating for the hydrolysis is terminated when the conversion rate by hydrolysis of cellulose is between 10 and 100% and the selectivity of glucose is between 20 and 90%. It is preferable in terms of enhancement. When the conversion by hydrolysis of cellulose is between 10 and 100% and the selectivity of glucose is between 20 and 90%, the heating temperature, the type and amount of solid catalyst used, the amount of water (relative to cellulose) Ratio), the type of cellulose, the stirring method, conditions, and the like, and can be determined experimentally after determining these conditions. The heating time is, for example, in the range of 5 to 60 minutes and preferably in the range of 5 to 30 minutes from the start of heating for the hydrolysis reaction under normal conditions, but is not limited to this range. . In addition, the heating for hydrolysis is such that the conversion by hydrolysis of cellulose is preferably in the range of 30 to 100%, more preferably in the range of 40 to 100%, still more preferably in the range of 50 to 100%, and most preferably. Is in the range of 55-100% and ends when the glucose selectivity is preferably in the range of 25-90%, more preferably in the range of 30-90%, most preferably in the range of 40-90%. Is appropriate.

加水分解反応の形式は、バッチ式または連続式等のいずれでもよい。反応は、反応混合物を撹拌しながら行うことが好ましい。   The form of the hydrolysis reaction may be either batch type or continuous type. The reaction is preferably carried out while stirring the reaction mixture.

本発明においては、比較的高温で比較的短時間の加水分解反応により、グルコースを主成分とし、5−ヒドロキシメチルフルフラールなどの過分解物が少ない糖含有液を製造することができる。   In the present invention, it is possible to produce a sugar-containing liquid containing glucose as a main component and containing a small amount of a hyperdegradation product such as 5-hydroxymethylfurfural by a hydrolysis reaction at a relatively high temperature and for a relatively short time.

加熱の終了後は、グルコースの他の糖への転化を抑制して、グルコース収率を高めるという観点から反応液を冷却することが好ましい。グルコース収率を高めるという観点から、反応液の冷却は、グルコースの選択率が20〜90%の範囲を維持する条件で行うことが好ましく、25〜90%の範囲がさらに好ましく、30〜90%の範囲がより好ましく、40〜90%の範囲が最も好ましい。   After completion of the heating, it is preferable to cool the reaction solution from the viewpoint of suppressing the conversion of glucose to other sugars and increasing the glucose yield. From the viewpoint of increasing the glucose yield, the reaction solution is preferably cooled under the condition that the selectivity of glucose is maintained in the range of 20 to 90%, more preferably in the range of 25 to 90%, and 30 to 90%. Is more preferable, and the range of 40 to 90% is most preferable.

グルコース収率を高めるという観点から、前記反応液の冷却は、グルコースの他の糖への転化が事実上生じない温度までできるだけ速く行うことが好ましく、例えば、1〜200℃/分の範囲の速度で行うことができ、好ましくは10〜150℃/分の範囲の速度である。グルコースの他の糖への転化が事実上生じない温度は、例えば、150℃以下、好ましくは110℃以下である。すなわち、反応液の冷却は、150℃以下の温度まで、1〜200℃/分の範囲、好ましくは10〜150℃/分の範囲で行うことが適当であり、110℃以下の温度まで、1〜200℃/分の範囲、好ましくは10〜150℃/分の範囲で行うことがより適当である。   From the viewpoint of increasing the glucose yield, the reaction solution is preferably cooled as quickly as possible to a temperature at which the conversion of glucose into other sugars does not occur, for example, at a rate in the range of 1 to 200 ° C./min. The rate is preferably in the range of 10 to 150 ° C./min. The temperature at which the conversion of glucose into other sugars does not occur is, for example, 150 ° C. or lower, preferably 110 ° C. or lower. That is, it is appropriate to cool the reaction solution to a temperature of 150 ° C. or less, in a range of 1 to 200 ° C./min, preferably in a range of 10 to 150 ° C./min. It is more appropriate to carry out in the range of -200 ° C / min, preferably in the range of 10-150 ° C / min.

本発明の製造方法においては、セルロース加水分解固体触媒は、炭素触媒、窒化ホウ素又は遷移金属担持固体触媒であり、糖類含有セルロース加水分解物が、グルコース含有セルロース加水分解物であることができる。本発明において、固体触媒として、例えば、活性炭を用いたセルロースの加水分解の反応機構は、この機構に拘泥する意図ではないが、以下のように考えられる。   In the production method of the present invention, the cellulose hydrolyzed solid catalyst may be a carbon catalyst, boron nitride or a transition metal-supported solid catalyst, and the saccharide-containing cellulose hydrolyzate may be a glucose-containing cellulose hydrolysate. In the present invention, the reaction mechanism of cellulose hydrolysis using, for example, activated carbon as a solid catalyst is not intended to be bound by this mechanism, but is considered as follows.

活性炭などの炭素材料は、以下に示すように表面に存在する芳香環に、CH-π相互作用により、セルロースの疎水性基(-CH)が吸着すると考えられる。 In the carbon material such as activated carbon, it is considered that the hydrophobic group (—CH) of cellulose is adsorbed on the aromatic ring present on the surface by CH—π interaction as shown below.

さらに、カルボキシル基のような酸点が活性サイトとなって、加水分解を促進するものと推察される。 Further, it is presumed that acid sites such as carboxyl groups become active sites and promote hydrolysis.

そのため、固体触媒は、芳香環を有する活性炭のような炭素材料であって、前述のように、その表面にカルボキシル基のような酸点を有することが好ましい。 Therefore, it is preferable that the solid catalyst is a carbon material such as activated carbon having an aromatic ring, and has an acid point such as a carboxyl group on the surface thereof as described above.

本発明の方法により、セルロースからグルコースを効率的にかつ優先的に製造できれば、グルコースを燃料や化学品に転化することもできる。
If glucose can be efficiently and preferentially produced from cellulose by the method of the present invention, glucose can also be converted into fuel and chemicals.

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not intended to be limited to the examples.

実施例1
粉砕していない微結晶性セルロース(324 mg, Avicel PH101)に蒸留水(0.9 mL)を加え湿らせた後、85 %リン酸(16.2 mL, 和光純薬)を加え、撹拌しセルロースを溶解させた。セルロースは10分ほどで完全に溶解した。この溶解液を室温(約22℃)で数日間(0-9日間)撹拌し、セルロースを部分的に加水分解した。固体触媒として活性炭(BA-Air, BA(味の素ファインテクノ(株)、比表面積 1230 m2/g)を電気炉で425℃,10時間空気酸化した炭素(表面に弱酸点となるカルボキシル基などの含酸素官能基を導入))を324 mg加え、10分間撹拌した。蒸留水30 mLを加え、部分加水分解したセルロースが炭素とよく接触した状態(炭素上にセルロースが吸着した状態)で、部分加水分解したセルロースを吸着させた。これを、メンブレンフィルター(孔径:0.1 μm)を用いろ過し、水洗(300ml)により固体中のリン酸を除いた。このサンプルに水40 mLを加えてオートクレーブで、180℃で20分間反応を行い、セルロースを加水分解した。尚、上記サンプルに水40mLを加えた段階でのpHは 2.0〜2.2であった。このことから、サンプルにはリン酸が残存し、残存したリン酸も加水分解の触媒となった可能性がある。反応後、溶液をHPLCで分析した。
Example 1
After moistening by adding distilled water (0.9 mL) to uncrystallized microcrystalline cellulose (324 mg, Avicel PH101), add 85% phosphoric acid (16.2 mL, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and stirring to dissolve the cellulose. It was. Cellulose was completely dissolved in about 10 minutes. This solution was stirred at room temperature (about 22 ° C.) for several days (0-9 days) to partially hydrolyze the cellulose. Activated carbon (BA-Air, BA (Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd., specific surface area 1230 m 2 / g)) as a solid catalyst was air-oxidized in an electric furnace at 425 ° C for 10 hours (such as carboxyl groups that have weak acid points on the surface). 324 mg of oxygen-containing functional group was introduced) and stirred for 10 minutes. 30 mL of distilled water was added, and the partially hydrolyzed cellulose was adsorbed in a state where the partially hydrolyzed cellulose was in good contact with carbon (the cellulose was adsorbed on the carbon). This was filtered using a membrane filter (pore size: 0.1 μm), and phosphoric acid in the solid was removed by washing with water (300 ml). 40 mL of water was added to this sample, and the mixture was reacted in an autoclave at 180 ° C. for 20 minutes to hydrolyze the cellulose. The pH at the stage when 40 mL of water was added to the sample was 2.0 to 2.2. From this, phosphoric acid remains in the sample, and the remaining phosphoric acid may have become a catalyst for hydrolysis. After the reaction, the solution was analyzed by HPLC.

比較例1
実施例1におけるリン酸処理の効果を確かめるために、リン酸処理を行わないセルロースを用いて、実施例1と同条件で加水分解反応を行った。
Comparative Example 1
In order to confirm the effect of the phosphoric acid treatment in Example 1, a hydrolysis reaction was performed under the same conditions as in Example 1 using cellulose not subjected to the phosphoric acid treatment.

実施例1及び比較例1の加水分解反応の結果を図1に示す。リン酸処理していないセルロースを加水分解してもグルコース収率がわずか3 %であるのに対し、リン酸前処理を行ったセルロースを用いると、グルコース収率はリン酸処理日数に応じて伸び、最高で70 %に向上した。この結果から、リン酸処理の有効性が分かる。セルロースの部分加水分解のための攪拌開始後0日、3日、7日及び9日後の溶液のサイズ排除クロマトグラフィーの結果(攪拌開始後0日は、部分加水分解0日という意味であり、セルロースをリン酸に溶解させて、すぐに水を入れてセルロースを析出させたものである)を、原料である微結晶性セルロース(Avicel PH101)の水分散液のサイズ排除クロマトグラフィーの結果と共に図2に示す。攪拌開始後7日及び9日後には部分加水分解よりセルロースの分子量は約1/2に低下したことが分かる。   The results of the hydrolysis reaction of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. The glucose yield is only 3% even when the cellulose not treated with phosphoric acid is hydrolyzed, whereas when cellulose pretreated with phosphoric acid is used, the glucose yield increases with the number of phosphoric acid treatment days. And up to 70%. This result shows the effectiveness of the phosphoric acid treatment. Results of size exclusion chromatography of the solution after 0 days, 3 days, 7 days and 9 days after the start of stirring for partial hydrolysis of cellulose (0 days after the start of stirring means 0 days of partial hydrolysis, cellulose 2 was dissolved in phosphoric acid and water was immediately added to precipitate cellulose) together with the results of size exclusion chromatography of the aqueous dispersion of microcrystalline cellulose (Avicel PH101) as a raw material. Shown in 7 and 9 days after the start of stirring, it can be seen that the molecular weight of cellulose was reduced to about 1/2 by partial hydrolysis.

実施例2
液状のセルロースの炭素触媒への吸着が有効であることを明らかにするための実験も行った。実施例1と同様の方法で、セルロースのリン酸処理日数を6日間としてセルロースを炭素表面上に吸着させた場合の結果を得た。
Example 2
Experiments were also conducted to clarify the effectiveness of liquid cellulose adsorption on carbon catalysts. In the same manner as in Example 1, the results were obtained when cellulose was adsorbed on the carbon surface with 6 days of phosphoric acid treatment of cellulose.

比較例2
実施例1と同様の方法で、セルロースをリン酸に溶解させた後、室温で6日間撹拌を続けた。そこに蒸留水30 mLを加え、セルロースを析出させた後ろ過し、水洗でリン酸を除いた。このセルロースに実施例1で用いたと同様の活性炭を加え、実施例1と同条件で加水分解反応を行った。(液状のセルロースが活性炭に吸着する段階がない方法である。)
Comparative Example 2
After dissolving cellulose in phosphoric acid in the same manner as in Example 1, stirring was continued at room temperature for 6 days. Distilled water (30 mL) was added thereto, cellulose was precipitated and then filtered, and phosphoric acid was removed by washing with water. Activated carbon similar to that used in Example 1 was added to this cellulose, and a hydrolysis reaction was performed under the same conditions as in Example 1. (This is a method in which liquid cellulose does not have a step of adsorbing to activated carbon.)

液状のセルロースを活性炭表面上に吸着させた場合(実施例2)と、させていない場合(比較例2)の加水分解の結果を図3に示す。   The results of hydrolysis when liquid cellulose is adsorbed on the activated carbon surface (Example 2) and when not absorbed (Comparative Example 2) are shown in FIG.

図3に示した結果から、液状のセルロース(部分加水分解セルロースを含む可溶化したセルロース及び非晶質セルロース)が炭素触媒に吸着することが加水分解反応性を上昇させることが明らかになった。   From the results shown in FIG. 3, it was revealed that adsorption of liquid cellulose (solubilized cellulose and amorphous cellulose containing partially hydrolyzed cellulose) to the carbon catalyst increases hydrolysis reactivity.

以上の結果から、リン酸によりセルロースを溶解し、液状のセルロースを炭素触媒上に吸着させた状態で加水分解反応を行うことが、効果的であるということが言える。   From the above results, it can be said that it is effective to perform the hydrolysis reaction in a state where cellulose is dissolved with phosphoric acid and liquid cellulose is adsorbed on the carbon catalyst.

実施例3
セルロース溶解液を室温に替えて60℃で60分間撹拌してセルロースの部分加水分解を行ったこと以外は、実施例1と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図4に示す(図中の60分間の結果)。セルロースの部分加水分解を60℃で行うことで、より短時間(60分)で、室温(約25℃)で行う場合(図1のDAY7(7日間))とほぼ同等のセルロース加水分解結果が得られた。
Example 3
The cellulose solution was hydrolyzed in the same manner as in Example 1 except that the cellulose solution was changed to room temperature and stirred at 60 ° C. for 60 minutes to perform partial hydrolysis of cellulose. The results are shown in FIG. 4 (results for 60 minutes in the figure). By carrying out the partial hydrolysis of cellulose at 60 ° C., the result of cellulose hydrolysis almost equivalent to the case of carrying out at room temperature (about 25 ° C.) in a shorter time (60 minutes) (DAY 7 (7 days) in FIG. 1) is obtained. Obtained.

実施例4
セルロース溶解液の60℃での攪拌を0、30、又は90分間に替えて行ったこと以外は、実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図4に示す。セルロースの部分加水分解を60℃で行うことで、30、90分でも、室温(約25℃)で行う場合(7日間)とほぼ同等のセルロース加水分解結果が得られた。
Example 4
The cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3 except that the cellulose solution was stirred at 60 ° C. for 0, 30, or 90 minutes. The results are shown in FIG. By performing partial hydrolysis of cellulose at 60 ° C., a cellulose hydrolysis result almost the same as that obtained at room temperature (about 25 ° C.) (7 days) was obtained even at 30 and 90 minutes.

実施例5
固体触媒としての活性炭をBA-Airに替えて、BA((味の素ファインテクノ(株)、比表面積1230 m2/g))、Norit(キャボット社、比表面積1210 m2/g))、Air oxi. Norit (Noritaを電気炉で425℃、10時間空気酸化した炭素)に替えたこと以外は、実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図5に示す。図5には参照例(Blank)として、セルロースをリン酸溶液にし、固体触媒を加えずに水25 mLを加えセルロースを沈殿させ、このセルロースを300 mLの水で洗浄し、水40 mLを加えてオートクレーブで、180℃で20分間反応を行い、セルロースを加水分解した結果も示す。各活性炭のベーム滴定(Boehm titration)の結果を表1に示す。尚、ベーム滴定は常法により行った。
Example 5
Instead of BA-Air as the solid catalyst, BA ((Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd., specific surface area 1230 m 2 / g)), Norit (Cabot, specific surface area 1210 m 2 / g)), Air oxi Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3 except that it was changed to Norit (Norita was carbon which was air-oxidized in an electric furnace at 425 ° C. for 10 hours). The results are shown in FIG. In FIG. 5, as a reference example (Blank), cellulose is converted into a phosphoric acid solution, 25 mL of water is added without adding a solid catalyst to precipitate cellulose, the cellulose is washed with 300 mL of water, and 40 mL of water is added. The results of hydrolyzing cellulose by reacting at 180 ° C. for 20 minutes in an autoclave are also shown. Table 1 shows the results of Boehm titration of each activated carbon. Boehm titration was performed by a conventional method.

COORはラクトンを示し、例えば、下記化学式の左下部分の構造を想定している。
COOR represents a lactone, for example, assuming the structure of the lower left part of the following chemical formula.

実施例5
固体触媒としての活性炭BA-Air量を324 mgから、218mg、109mgに替えた以外は、実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図6に示す。
Example 5
Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3 except that the amount of activated carbon BA-Air as a solid catalyst was changed from 324 mg to 218 mg and 109 mg. The results are shown in FIG.

実施例6
部分加水分解したセルロースに活性炭(BA-Air)を加え、10分間攪拌した後に蒸留水25 mLを加える代わりに、エタノール、アセトン又は1−プロパノール(いずれも25mL)を用いることにより部分加水分解セルロースの活性炭への析出、吸着を行った以外は実施例3と同様の方法でセルロースの加水分解を行った。結果を図7に示す。部分加水分解セルロースの析出、吸着には、水を用いる場合がグルコースの収量が高かった。
Example 6
Activated carbon (BA-Air) is added to partially hydrolyzed cellulose, and instead of adding 25 mL of distilled water after stirring for 10 minutes, ethanol, acetone or 1-propanol (25 mL each) is used to add partially hydrolyzed cellulose. Cellulose was hydrolyzed in the same manner as in Example 3 except that it was precipitated and adsorbed on activated carbon. The results are shown in FIG. In the case of using water for precipitation and adsorption of partially hydrolyzed cellulose, the yield of glucose was high.

本発明は、セルロースの加水分解によるグルコース等の糖類の製造に関する分野に有用である。   The present invention is useful in the field related to the production of sugars such as glucose by hydrolysis of cellulose.

Claims (15)

セルロースを酸水溶液に溶解させる工程(1)、
セルロースを溶解した酸水溶液にセルロース加水分解固体触媒を混合する工程(2)、
固体触媒上にセルロースの少なくとも一部を吸着させる工程(3)、及び
セルロースを吸着させた固体触媒を水の存在下で加熱してセルロースを加水分解して、糖類を含有する加水分解物を得る工程(4)、
を含む糖類含有セルロース加水分解物の製造方法。
A step (1) of dissolving cellulose in an acid aqueous solution;
A step (2) of mixing a cellulose-hydrolyzed solid catalyst with an acid aqueous solution in which cellulose is dissolved;
Step (3) of adsorbing at least a part of cellulose on the solid catalyst, and heating the solid catalyst adsorbing cellulose in the presence of water to hydrolyze the cellulose to obtain a hydrolyzate containing saccharides Step (4),
A method for producing a saccharide-containing cellulose hydrolyzate comprising
工程(1)中及び/又は後に、酸水溶液中で少なくとも一部のセルロースを少なくとも部分的に加水分解し、溶解させた後の生成物を工程(2)に供する、請求項1に記載の製造方法。 The production according to claim 1, wherein the product after at least partially hydrolyzing and dissolving at least a part of cellulose in an aqueous acid solution is subjected to step (2) during and / or after step (1). Method. 部分加水分解は、40〜80℃の温度で行う、請求項2に記載の製造方法。 The production method according to claim 2, wherein the partial hydrolysis is performed at a temperature of 40 to 80 ° C. 工程(1)で用いるセルロースの少なくとも一部は、I型の結晶構造を有する請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein at least a part of the cellulose used in the step (1) has an I-type crystal structure. 工程(1)で用いる酸水溶液の酸がリン酸、硫酸及び塩酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の酸である請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the acid in the acid aqueous solution used in step (1) is at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid. 工程(1)で用いる酸水溶液は、オルトリン酸水溶液である、請求項5に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 5, wherein the aqueous acid solution used in step (1) is an aqueous orthophosphoric acid solution. 工程(1)で用いるオルトリン酸水溶液のリン酸濃度は75%以上である、請求項6に記載の製造方法。 The manufacturing method of Claim 6 whose phosphoric acid concentration of the orthophosphoric acid aqueous solution used at a process (1) is 75% or more. 工程(3)における固体触媒上へのセルロースの吸着は、酸水溶液に水又は水溶性有機溶媒を添加することで行う請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein the adsorption of cellulose on the solid catalyst in the step (3) is performed by adding water or a water-soluble organic solvent to the acid aqueous solution. 工程(3)で得られたセルロースを吸着させた固体触媒を酸水溶液から分離し、かつ酸を除去した後に、工程(4)に供する、請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 8, wherein the solid catalyst adsorbed with cellulose obtained in the step (3) is separated from the acid aqueous solution and removed from the acid, and then subjected to the step (4). 工程(3)において固体触媒上に吸着したセルロースは、部分加水分解セルロース、非晶質セルロース及びセルロースIIから成る群から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。 The production according to any one of claims 1 to 9, wherein the cellulose adsorbed on the solid catalyst in the step (3) includes at least one selected from the group consisting of partially hydrolyzed cellulose, amorphous cellulose and cellulose II. Method. セルロース加水分解固体触媒は、炭素触媒、窒化ホウ素及び遷移金属担持触媒から成る群から選ばれる少なくとも1種の触媒である請求項1〜10のいずれかに記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein the cellulose hydrolyzed solid catalyst is at least one catalyst selected from the group consisting of a carbon catalyst, boron nitride, and a transition metal-supported catalyst. 炭素触媒は、多孔質炭素材料であり、多孔質炭素材料は活性炭又はカーボンブラックであることができる請求項11に記載の製造方法。 The production method according to claim 11, wherein the carbon catalyst is a porous carbon material, and the porous carbon material can be activated carbon or carbon black. 遷移金属担持触媒は、固体担体に遷移金属を担持した触媒であり、固体担体は、炭素系材料及び窒化ホウ素から成る群から選ばれる少なくとも1種の材料である、請求項11に記載の製造方法。 The production method according to claim 11, wherein the transition metal-supported catalyst is a catalyst in which a transition metal is supported on a solid support, and the solid support is at least one material selected from the group consisting of a carbon-based material and boron nitride. . セルロースを吸着させた固体触媒における、触媒に対するセルロースの質量比は、100:1〜10000の範囲である、請求項1〜13のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 13, wherein the mass ratio of cellulose to catalyst in the solid catalyst to which cellulose is adsorbed is in the range of 100: 1 to 10,000. 工程(1)で用いるセルロースは植物性バイオマスである、請求項1〜14のいずれかに記載の製造方法。 The cellulose used at a process (1) is a manufacturing method in any one of Claims 1-14 which is vegetable biomass.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010067593A1 (en) * 2008-12-09 2010-06-17 国立大学法人 北海道大学 Method for producing a sugar-containing liquid in which the primary ingredient is glucose
WO2014007295A1 (en) * 2012-07-03 2014-01-09 昭和電工株式会社 Method for decomposing plant biomass, and method for producing glucose
WO2014097801A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-26 昭和電工株式会社 Plant-biomass hydrolysis method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5633878B2 (en) * 2009-09-25 2014-12-03 国立大学法人北海道大学 Catalyst for hydrolysis of cellulose or hemicellulose, and method for producing sugar-containing liquid using the catalyst

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010067593A1 (en) * 2008-12-09 2010-06-17 国立大学法人 北海道大学 Method for producing a sugar-containing liquid in which the primary ingredient is glucose
WO2014007295A1 (en) * 2012-07-03 2014-01-09 昭和電工株式会社 Method for decomposing plant biomass, and method for producing glucose
WO2014097801A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-26 昭和電工株式会社 Plant-biomass hydrolysis method

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIU, X. ET AL.: "Adsorption of lignocellulosic materials dissolved in pre-hydrolysis liquor of kraft-based dissolving", J. SCI. TECHNOL. FOR. PROD. PROCESS., vol. 1 (1), JPN6018013706, 2011, pages 46 - 54, ISSN: 0004676046 *
ZHANG, Y.-H. P. ET AL.: "A transition from cellulose swelling to cellulose dissolution by o-phosphoric acid: evidence from en", BIOMACROMOLECULES, vol. 7, JPN6018013707, 2006, pages 644 - 648, XP055514974, ISSN: 0004676047, DOI: 10.1021/bm050799c *
小林広和: "固体触媒法による木質バイオマスの選択的な分解", 触媒, vol. 58 (3), JPN6018013708, 2016, pages 159 - 162, ISSN: 0004676048 *

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